普通機(jī)床數(shù)控改造關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

摘 要：隨著我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及CAD軟件的普及，機(jī)床加工中，對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，能夠提高生產(chǎn)效率，大大促進(jìn)機(jī)床自動化進(jìn)程，有效的擴(kuò)展與完善機(jī)床的功能，簡化機(jī)械產(chǎn)品加工處理方法。本文從普通機(jī)床數(shù)控化優(yōu)勢為著眼點(diǎn)，詳細(xì)分析了普通機(jī)床數(shù)控改造的關(guān)鍵技術(shù)：開環(huán)控制技術(shù)、機(jī)床機(jī)械部分?jǐn)?shù)控改造、步進(jìn)電機(jī)改造技術(shù)、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對普通機(jī)床數(shù)控改造技術(shù)的分析及實(shí)踐發(fā)展，通過對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，不但延長了普通機(jī)床的使用壽命，而且大大提高了加工產(chǎn)品的質(zhì)量，其前景十分可觀。

關(guān)鍵詞：機(jī)床 機(jī)床數(shù)控化 數(shù)控改造

中圖分類號：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0069-02

實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控化，不僅可以提高機(jī)械加工自動化水平，也可以提高普通機(jī)床的工作性能，同時(shí)，數(shù)控化機(jī)床也能夠?yàn)槠髽I(yè)機(jī)械加工節(jié)省資金，有效提高機(jī)床精度與效率，本文主要以某型號普通機(jī)床的數(shù)控化改造為例對基于普通機(jī)床的數(shù)控改造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1 普通機(jī)床數(shù)控化優(yōu)勢

普通機(jī)床數(shù)控化，可以應(yīng)用軟件系統(tǒng)程序，使計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動編制，自動編程取代了傳統(tǒng)手工編程的方式，極大提高了當(dāng)前機(jī)床工作效率。同時(shí)也具有一定的靈活性，提高機(jī)床在執(zhí)行動作，提升普通機(jī)床控制智能化。而且數(shù)控機(jī)床中，很大程度上提高普通機(jī)床產(chǎn)品精度、效率，簡化數(shù)控操作。

2 普通機(jī)床數(shù)控改造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開環(huán)控制技術(shù)

數(shù)控機(jī)床有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，其中開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、方便改裝，成本相對更低，本次普通機(jī)床數(shù)控化改造中，根據(jù)改造后機(jī)床的要求，選擇步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，以簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。機(jī)床改造后，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖，對系統(tǒng)執(zhí)行部件進(jìn)行控制，位移量、速度和運(yùn)動方向的控制，通過對指令脈沖數(shù)量、頻率和通電順序的控制實(shí)現(xiàn)。8255PA口輸出控制字，通過光電耦合導(dǎo)通，TIP142導(dǎo)通電源驅(qū)動電機(jī)，電流檢測電路接上的采樣信號經(jīng)過放大、比較最后將信息送到TIP147基極驅(qū)動電路控制TIP147的飽和與截至從而控制27V電源電路的通斷。若繞阻電流不夠3A，則27V電源工作，使電流增加，電流達(dá)到電機(jī)允許的限度時(shí)反饋信號經(jīng)檢測電路控制TIP147截至，27V電源停止工作，電流由5V電源供給，TLP421-4用于將電路中+5V電壓與+27V電壓隔開，以防+27V高壓破壞器件。

2.2 機(jī)床機(jī)械部分?jǐn)?shù)控改造

機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械部分設(shè)計(jì)中，對于零件結(jié)構(gòu)、尺寸等方面，應(yīng)滿足傳動穩(wěn)定，不影響精度或者精度必須滿足在要求的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)盡量簡單、傳動合理以及經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。對于絲杠傳動副改造中，確保被加工零件坐標(biāo)精度，降低電機(jī)啟動力矩，拆除原進(jìn)給傳動鏈，換上伺服電機(jī)直接驅(qū)動的滾珠絲杠傳動；在齒輪副改造中，確保有良好的耐摩擦與磨損特性，這樣可以減少摩擦阻力，在改造中，可以將螺釘以及粘劑固定在鑄鐵床身上；使用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速后再傳動絲桿，以達(dá)到機(jī)床改造中分辨率的要求；采用滾珠絲桿螺母副，以減少摩擦力，保證精度和平穩(wěn)性。預(yù)緊結(jié)構(gòu)采用雙螺母紋式，這種預(yù)緊方法結(jié)構(gòu)較緊湊，可隨時(shí)調(diào)整滾道磨損，通過對端部圓螺母的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)螺母的軸向位移。為提高工作效率，提高改造后機(jī)床自動化水平，將原車床手動刀架改造為電動刀架。車床電動刀架可完成零件加工中不同工序的換刀工作，采用三相微型異步電動機(jī)驅(qū)動刀架，結(jié)構(gòu)采用預(yù)加負(fù)荷，以消除間隙，提高傳動剛度。在機(jī)床的自動換刀裝置改造中，需加入自動回轉(zhuǎn)刀架；對于機(jī)床安全防護(hù)改造中，應(yīng)該采取特殊保護(hù)，嚴(yán)防灰塵特、切屑、硬砂粒進(jìn)入切削滾道。

2.3 步進(jìn)電機(jī)改造技術(shù)

機(jī)床數(shù)控化改造中開環(huán)伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件一般為反應(yīng)式功率步進(jìn)電機(jī)，合理選擇步進(jìn)電機(jī)對于防止機(jī)床數(shù)控化改造后發(fā)生反應(yīng)緩慢、失步或系統(tǒng)精度不夠等問題有著重要意義。步進(jìn)電機(jī)的選擇需考慮機(jī)床精度、脈沖當(dāng)量、負(fù)載慣量、快速空載起動轉(zhuǎn)矩、工作狀態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載起動頻率、運(yùn)行最高頻率，首先對等效轉(zhuǎn)動慣量、電機(jī)力矩、空載起動頻率和切削時(shí)工作頻率等進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行匹配，確定數(shù)控化改造中合適的電機(jī)型號，本次改造中根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終選擇90BF002型步進(jìn)電機(jī)。由于普通機(jī)床刀架滑移由兩個驅(qū)動裝置的滑移組成，與導(dǎo)軌平行方向和導(dǎo)軌垂直的水平方向，由于在這兩個方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效區(qū)的任意位置；伺服系統(tǒng)進(jìn)給量、速度的控制，主要是利用PLC編程通過控制脈沖信號實(shí)現(xiàn)。采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號，采用軟件自動升降速控制，實(shí)現(xiàn)這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進(jìn)制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出順序相反。采用通用接口芯片8255的PA口作為步進(jìn)電機(jī)的控制口，不需要用專門電路把單序列脈沖轉(zhuǎn)換為多序列脈沖，增加主回路電阻和放電回路電阻改善電波形，使上升沿與下降沿陡峭。驅(qū)動電路電源部分，由于驅(qū)動電路需要直恒流27V、15V、6V、5V穩(wěn)定電源，根據(jù)驅(qū)動電路中步進(jìn)電機(jī)滿足電流在3A以上。

2.4 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造后的數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)由硬件電路、軟件程序組成，前者包括單片機(jī)、車床、輔助電路等，為數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能對系統(tǒng)的整體工作性能有著直接的影響；后者由監(jiān)控軟件和控制軟件兩部分組成，監(jiān)控軟件主要用于系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測，并提供基本操作管理，控制軟件根據(jù)編程對機(jī)床運(yùn)行進(jìn)行控制。

數(shù)控機(jī)床的硬件部分由CPU、總線、存貯器和I/O接口電路四個部分組成（見圖1）。CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，通過對各部分電路的控制，使電路協(xié)調(diào)工作，是整個系統(tǒng)的核心；存貯器存放系統(tǒng)軟件及其運(yùn)行過程中所需的各種數(shù)據(jù)；通過I/O接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和外界的信息交換；CUP、存貯器、I/O接口及其他轉(zhuǎn)換電路利用總線例連接在一起。

單片機(jī)的選擇根據(jù)機(jī)床改造要求、系統(tǒng)需求，考慮價(jià)格等因素進(jìn)行確定，其中MCS-51系列8031芯片，屬于8位單片機(jī)，功能全、體積小，且易于編程、開發(fā)手段全、硬件資源豐富，同時(shí)價(jià)格相對較低，在國內(nèi)較為適用。由于8031片內(nèi)無程序存儲器，可使用6264（8K×8）片外接CPU部分，擴(kuò)展8031的RAM存貯器的，程序存貯器的擴(kuò)展通過外接2片2764（8K×8）片實(shí)現(xiàn)。8031為用戶提供的I/O口有P1、P3口，由于不能滿足系統(tǒng)需求，可使用8155片進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。

使用8031片的數(shù)控系統(tǒng)如那件設(shè)計(jì)有中央處理單元、PA、PB和PC接口等初始化程序和直線插補(bǔ)計(jì)算、顯示、報(bào)警、急停等功能程序。系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行初始化，選擇手動或自動，若選擇手動，則讀取按鍵信息，若輸入正確，則可手動選刀，調(diào)用功能程序并顯示，若輸入不正確則報(bào)警；若選擇自動，則可實(shí)現(xiàn)自動選刀，根據(jù)外部程序命令，調(diào)動功能程序，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)特殊情況，則急停，否則循環(huán)運(yùn)行。

3 機(jī)床數(shù)控化改造的發(fā)展前景

機(jī)床數(shù)控化改造能在保有普通機(jī)床原有功能的基礎(chǔ)上，提高其精度，實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床生產(chǎn)過程自動化，實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床控制過程的數(shù)字化。大大提高普通機(jī)床生產(chǎn)效率， 為企業(yè)節(jié)省資金，降低成本。改造后的車床屬于開環(huán)控制，選擇步進(jìn)電機(jī)作為雙向進(jìn)給驅(qū)動電動機(jī)，采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)，對原有機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)、性能、功能基礎(chǔ)上，用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電機(jī)，改造機(jī)床切削工藝，提高普通機(jī)床切削精度和效率。

普通機(jī)床數(shù)控改造的過程中，根據(jù)普通機(jī)床使用情況及工況要求， 可以選擇合理的數(shù)控系統(tǒng)及其電子設(shè)備， 提高數(shù)控加工的工作效率，極大的提高機(jī)械產(chǎn)品加工的速率，在機(jī)床加工中通過數(shù)控中的宏程序?qū)ψ兞繑?shù)據(jù)進(jìn)行編程，提高機(jī)械產(chǎn)品加工的效率，不僅能加工常見的零件，還可用于形狀復(fù)雜零件加工中，滿足加工精度。普通機(jī)床數(shù)控改造技術(shù)，可以提升我國制造業(yè)裝備水平， 延長了普通機(jī)床的使用壽命，提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)市場競爭力，在未來極具發(fā)展前景。

4 結(jié)語

基于普通機(jī)床的數(shù)控加工技術(shù)，可以自動化加工機(jī)床零件，不僅可以提高機(jī)床產(chǎn)品綜合性能，還可以優(yōu)化機(jī)床零件加工工藝，提高機(jī)床全年的零件生產(chǎn)質(zhì)量，具有實(shí)際改造價(jià)值，值得在實(shí)際中推廣應(yīng)用。

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